Proces fuzji jądrowej. Rozszczepienie jądrowe i reakcje syntezy jądrowej

Wiadomo, że substancje składają się z cząsteczek i atomów. Atom z kolei zawiera jądro i cząstki elementarne - elektrony, protony i neutrony. Interakcja jądra atomowego ze sobą powoduje reakcje rozszczepienia jądrowego i reakcji fuzji. Te procesy prowadzą do uwolnienia lub absorpcji dużych ilości energii.

Historia odnajdywania

Proces reakcji jądrowej został po raz pierwszy zaobserwowany przez Rutherford w 1919 roku. Za pomocą specjalnego urządzenia - aparatu Wilsona - zrobiono zdjęcia tych reakcji.

Dwadzieścia lat później odkryto w Niemczech rozszczepienie jądrowe uranu. Proces ten nazywa się rozpadem jądrowym. W oparciu o to zjawisko, pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany w 1942 roku.

Odwrotny proces rozkładu nazywa się reakcją termojądrową. Ponieważ w tym przypadku ciężkie jądra powstają w wyniku ruchu termicznego, proces ten nazywa się syntezą termojądrową.

Istota procesu

Proces fuzji jądrowej jest następujący. Dwa lub więcej jąder atomowych zbliżają się do siebie. Powstaje między nimi interakcja, która przeważa nad tak zwanymi siłami odpychania Coulomba. Ta interakcja prowadzi do tworzenia nowych, cięższych jąder. W momencie powstania jądra uwalniana jest znaczna ilość energii. Energia ta jest następnie wykorzystywana przez człowieka.

Paliwo reakcyjne

Ciężkie izotopy wodoru - deuter i tryt - są najczęściej używane do syntezy jądrowej. Wymagają mniej energii do przeprowadzenia reakcji w porównaniu z energią uwalnianą podczas procesu fuzji. Zasadniczo do syntezy można stosować inne rodzaje paliwa, na przykład deuter i hel-3, monofuel deuterowy i inne.

Tak zwane "wolne od neutronów" reakcje (na przykład z helem) są bardziej obiecujące, ponieważ w przeciwnym razie strumień neutronów przenosi część energii wyjściowej reakcji. Ponadto reakcje "bez neutronów" są mniej sprzyjające skażeniu radioaktywnemu.

Warunki reakcji

Aby proces syntezy jądrowej przebiegał prawidłowo, muszą być spełnione dwa warunki.

1. Reagent musi być podgrzewany do najwyższych temperatur. Tylko wystarczająca ilość energii prowadzi do procesu kolizji jądrowych.
2. Izolacja termiczna reakcji jest drugim niezbędnym warunkiem: temperaturę ogrzewanej mieszaniny należy utrzymywać na stałym poziomie przez cały czas trwania reakcji.

Reaktor termojądrowy

Urządzeniem do prowadzenia syntezy jądrowej jest reaktor fuzyjny. Jego głównym celem jest zapewnienie stałości optymalnych warunków reakcji. Wydajność powinna być większa niż wymagana do reakcji.

Pomimo faktu, że proces fuzji jąder atomowych był badany przez kilka dziesięcioleci, reaktor termojądrowy jest nadal tylko projektem. Zgodność z warunkami występowania reakcji jądrowych jest możliwa do osiągnięcia do tej pory tylko w warunkach laboratoryjnych.

Najbardziej obiecującym projektem reaktora termojądrowego jest obecnie ITER - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Budowa witryny dla reaktora rozpoczęła się w 2007 roku. Będzie zlokalizowany we Francji, w centrum badawczym Cadarache. Koniec budowy został pierwotnie zaplanowany na 2016 r., Ale koszty finansowe były wyższe niż oczekiwano. W chwili obecnej rok otwarcia reaktora ma przypuszczalnie nazywać się 2025.

Reaktor termojądrowy - projekt międzynarodowy. W jego budowie biorą udział kraje UE, Rosja, Indie, Chiny, USA, Japonia i inne.

Zimna fuzja jądrowa

Jak już wspomniano, reakcje termojądrowe są możliwe tylko pod wpływem wysokich temperatur. Zatem zużycie energii do ich realizacji jest dość znaczne. Doprowadziło to do spekulacji na temat zimnej fuzji jądrowej (CNF).

Teoretycznie NSF jest procesem, w którym fuzja jądrowa byłaby zapewniona nie pod wpływem ekstremalnych temperatur, ale w normalnych warunkach termicznych, na przykład w temperaturze pokojowej.

Od 1989 r. Regularnie informuje się, że grupie naukowej udało się przeprowadzić reakcję zimnej fuzji. Jednak w tej chwili wszystkie te stwierdzenia były niewiarygodne.

Po raz pierwszy takie oświadczenie złożyli naukowcy z University of Utah (USA) - Fleischman and Pons. Ogłosili, że są w stanie przeprowadzić reakcję w temperaturze pokojowej. Eksperymentalne potwierdzenie ich słów nie zostało ujawnione.

W przyszłości kilku innych naukowców ogłosiło sensacyjne odkrycie, ale za każdym razem informacje nie były potwierdzone naukowo. Do tej pory reakcja zimnej syntezy jądrowej pozostaje pożądaną perspektywą.

Procesy termojądrowe w kosmosie

Procesy syntezy jądrowej odgrywają ogromną rolę w ewolucji Wszechświata. Słońce i gwiazdy to gigantyczne reaktory termojądrowe. Pod wpływem wysokich temperatur dochodzi do fuzji jąder atomów wodoru i pojawia się hel. Jego rdzenie również łączą się, tworząc nowe elementy. Reakcje trwają przez miliony lat, dopóki cała materia gwiezdna nie zostanie wypalona. Podczas tych procesów generowana jest duża ilość energii. To energia Słońca dała życie Ziemi.

Wykorzystanie reakcji jądrowych

Energia syntezy jądrowej i rozpadu jądra ma ogromne znaczenie dla ludzkości. Wyniki reakcji są stosowane w różnych dziedzinach działalności. Poniżej kilka z nich.

1. Energia. Główną konsekwencją reakcji jądrowych jest uwolnienie energii. Dlatego w dziedzinie energii znaleźli główne zastosowanie. Reakcje jądrowe wymagają stosunkowo niewielkiej ilości paliwa, a energia wytworzona podczas tego procesu jest ogromna. W szczególności Ziemia zawiera dużą ilość uranu, który jest jednym z głównych źródeł paliwa jądrowego. Energia jądrowa jest wykorzystywana w elektrowniach jądrowych, jądrowych łodziach podwodnych i lodołamaczach. W przyszłości paliwo jądrowe może być wykorzystywane na statkach kosmicznych.
2. Medycyna Reakcje jądrowe mogą być stosowane w takich dziedzinach medycyny jak kardiologia, onkologia i neurologia. Radioizotopy są szeroko stosowane w diagnostyce. Elementy radioaktywne są częścią niektórych leków. Metoda brachyterapii służy do dostarczania małego źródła promieniowania do chorego narządu w celu zniszczenia struktur patologicznych. Radioterapia jest czasami określana jako medycyna nuklearna.
3. Tworzenie nowych pierwiastków chemicznych. Reakcje jądrowe prowadzą do pojawienia się nowych pierwiastków, które mają swoje miejsce w układzie okresowym.
4. Uzbrojenie. Wykorzystanie rozszczepienia jądrowego i syntezy jądrowej w sferze militarnej jest niejednoznaczne. Stworzenie broni jądrowej może doprowadzić do poważnych konsekwencji dla całej ludzkości.
   

Zagrożenie nuklearne

W 1945 roku świat był wstrząśnięty tragedią japońskich miast Hiroszima i Nagasaki. Rząd Stanów Zjednoczonych zrzucił dwie bomby atomowe na Japonię, powołując się na chęć zakończenia II wojny światowej.

Konsekwencje tego wydarzenia były szokujące. Bomba atomowa udowodniła swoją skuteczność, prawie całkowicie niszcząc oba miasta. Siła eksplozji była ogromna. W czasie wojny przeprowadzono już serię testów broni jądrowej, ale po raz pierwszy zastosowano ją przeciwko ludności.

Wybuch atomowy nie tylko pochłonął ogromną liczbę ofiar. Ci, którzy przeżyli po zrzuceniu bomby, odczuwali okropne konsekwencje po kilku latach. Promieniowanie doprowadziło do pojawienia się choroby popromiennej - choroby, która przejawiała się nie tylko u ludzi bliskich wybuchowi, ale także u dzieci, które później urodziły się tym ludziom.

Wybuchy atomowe prowadzą do dużych emisji promieniowania jonizującego. Promieniowanie jest w stanie zachować swoje właściwości jonizujące przez dziesiątki i setki lat, rozprzestrzeniając się przez atmosferę, zanieczyszczając wodę, opadając w postaci opadów.

Broń jądrowa stanowi poważne zagrożenie. Wyścig zbrojeń, który trwał prawie całą drugą połowę XX wieku, postawił planetę przed możliwością trzeciej wojny światowej. Obecnie wiele krajów ma broń jądrową, zagrażającą życiu całej ludzkości.

Nie tylko broń jądrowa może być niebezpieczna. Obiekty pokojowego celu mogą również prowadzić do smutnych konsekwencji z brakiem kontroli. Tragedia w elektrowni jądrowej w Czarnobylu w 1976 roku wyraźnie pokazuje, co może się zdarzyć, jeśli nie docenicie energii jądrowej.

Reakcje syntezy jądrowej i rozpadu jądrowego są ważnymi osiągnięciami nauki. Odkrycia w tym obszarze mogą być wykorzystywane zarówno dla zła, jak i dla dobra. Prawidłowe podejście do procesów jądrowych pozwala zminimalizować ryzyko związane z wykorzystaniem potencjału atomowego.